基于氧化钴/石墨烯修饰电极检测畜禽饮用水中铅离子的研究

李智丽++刘佑明++黄兴国++廖洁丹++黄淑坚++赵云翔

摘 要 采用两步电化学沉淀制备氧化钴/石墨烯修饰电极，通过循环伏安法对该电极进行表征，并研究铅离子在修饰电极上的电化学行为。结果表明，该复合材料修饰的工作电极的灵敏度与导电性增强；在0.1 mol/L PBS缓冲溶液（pH 5.0）中对铅离子的检测最优；铅离子在1×10-8-1×10-2 mol/L浓度范围内呈线性关系；信噪比为3时，检出限为7.5×10-9 mol/L。所构建的氧化钴/石墨烯修饰电极具有良好的灵敏度、稳定性和重现性，同时将所构建的复合材料修饰电极应用于养殖场畜禽饮用水中铅离子的检测。

关键词 石墨烯 ；氧化钴 ；循环伏安法 ；铅离子

中图分类号 S855.3

Detection of Pb2+ in Livestock and Poultry Drinking Water by Using Cobalt Oxide

Nanoparticles / Graphene Modified Electrodes

LI Zhili LIU Youming HUANG Xingguo LIAO Jiedan HUANG Shujian ZHAO Yunxiang

（College of Life Science and Engineering， Foshan University， Foshan， Guangdong 528000）

Abstract In this work， we prepared graphene-based nanocomposite material by electrochemically depositing cobalt oxide nanoparticles on the surface of graphene by two-step. Cyclic Voltammetry （CV） was used to characterize the electrode and study the electrochemical behavior of Pb2+ on the modified electrode. The results showed that the cobalt oxide nanoparticles /graphene modified electrode had a good electrocatalytic activity to Pb2+ in 0.10 mol/L PBS buffer solution （pH 5.0）. In the concentration range of 1×10-8-1×10-2 mol/L， the method presented a linear relationship. The limit of detection （LOD） was 7.5×10-9 mol/L at a signal-to-noise ratio of 3. The cobalt oxide nanoparticles/grapheme modified electrode showed a good stability， and reproducibility， and was used to detect Pb2+ in livestock and poultry drinking water in farms.

Key words graphene ； cobalt oxide nanoparticles ； cyclic voltammetry ； Pb2+

石墨烯（GNS）是一种以SP2杂化的由碳原子组成的单原子层厚的蜂窝状网格结构的碳材料，是世界上最薄的材料。其特殊结构使其导电性增强，比表面积增大，是国际材料技术的研究前沿[1-3]，并广泛应用于电子、光学、电化学能源转换和存储、电化学传感器等。近年来，为了扩展石墨烯的应用范围和提高石墨烯材料的性能，许多研究人员开展了关于石墨烯复合材料的合成和应用工作，包括聚合物/石墨烯、金属氧化物/石墨烯、金属/石墨烯等，如TiO2[4-5]，ZnO[6-7]，SnO2[8]，Mn3O4[9]，Co3O4[10]和Fe3O4[11]等。这些石墨烯的复合材料已成功被合成，并应用于催化和生物传感器等领域。

将无机晶体通过电化学沉积法直接沉积在石墨烯基底表面，不需要复合物材料的合成转换，是合成薄膜类材料的有效方法[12]。如将纳米级的ZnO，Cu2O和Cd Se颗粒沉积在rGO或者CVD-GNS膜表面[12-14]。氧化钴是一种过渡金属氧化物，具有尖晶石晶体结构，温度低于800 ℃时稳定存在。氧化钴纳米材料比表面积较大，导电能力优良，且具有高效的催化性能，在電化学传感器领域具有非常巨大的发展潜力。

铅及其化合物对人体各组织均有毒性，口服2-3 g可致中毒，50 g可致死[15]，一般由消化道吸收，进入血液而发生中毒，常见的是慢性铅中毒，铅中毒患者一般会有持久的行为和认知障碍。而随着“工业三废”（废液，废气，废渣）的排放及农用化学品的滥用等原因使世界上许多地区的铅污染日趋严重，且铅很难被降解，可以随食物链积累，继而给动物和人类健康带来很大的威胁。当今，中国养殖业发展迅速，而养殖场畜禽饮用水铅污染成为从业人员面临的棘手问题。根据GB/T 5750.6-2006和GB 5009.12-2010，常用检测铅离子的方法是原子吸收光谱法，氢化物原子荧光法，紫外可见分光光度法，电感耦合等离子体发射光谱法，电感耦合等离子体质谱法等。这些技术灵敏度高、结果准确，但仪器昂贵。另外，样品制备过程复杂，不适合现场实时检测。因此，开发快速、可靠的痕量铅粒子检测方法对于养殖场畜禽饮水用检测意义重大。

本文将石墨烯作为碳材料负载基底，采用电化学沉积法将氧化钴的纳米粒子原位负载到石墨烯的表面，这种结构有利于阻碍氧化钴的纳米粒子的团聚，提高了复合材料的导电性。并将复合材料修饰电极应用于养殖场畜禽饮用水中铅离子的检测，为绿色健康养殖提供新的检测方法。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试剂材料

主要试剂：乙酸（冰醋酸）、浓硝酸、过硫酸钾、过氧化氢、五氧化二磷、高锰酸钾、乙酸铅、无水乙醇、无水乙酸钠、氯化钴、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、高氯酸（天津市德恩化学试剂有限公司）、纳米氧化铝（长沙晶康新材料科技有限公司）。所用试剂均为国产分析纯，实验用水均为二次蒸馏水。

1.1.2 仪器与设备

CHI620E电化学分析仪、铂丝电极、Ag/AgCl电极及玻碳电极（上海晨华仪器有限公司）； KQ3200DE型数控超声波清洗器（昆明市超声仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；电化学实验用三电极体系，石墨烯修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。

1.2 方法

1.2.1 氧化石墨烯的制备

采用改良的Hummers法制备得到氧化石墨[16]。预氧化石墨的制备：将5.0 g天然石墨、5.0 g过硫酸钾（K2S2O8）和5.0 g五氧化二磷（P2O5）依次加入到60 mL的浓硫酸中，80 ℃下保温 6 h；冷却至室温，用去离子水稀释洗涤，然后真空干燥，得到预氧化石墨。取预氧化石墨2.5 g、高锰酸钾（KMnO4）7.5 g 加入0 ℃浓硫酸中，先在20 ℃以下保温2.5 h，35 ℃以下保温3.5 h，然后加入230 mL左右的去离子水，95 ℃下保温1.5 h，最后加入30 % H2O2至反应完全。将上述混合物过滤，并用稀盐酸洗涤2次，洗除金属离子；再用去离子水洗，目的除去多余的酸；然后取800 mL去离子水分散，超声30 min，得到氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）水溶液（5.5 mg/mL）。

1.2.2 玻碳电极的清洗

将玻碳电极（GCE）用纳米氧化铝粉悬浮液在人造麂皮磨料上以8字法打磨镜面，用重蒸馏水超声清洗30 min，室温下干燥，用无水乙醇超声清洗10 min，干燥以后再次用重蒸馏水超声清洗10 min，干燥后备用。

1.2.3 还原态石墨烯修饰电极的制备

用移液枪吸取10.0 μL氧化石墨烯分散液滴加到玻碳电极表面镜面位置，室温下正常干燥，得到氧化石墨烯修饰电极。然后将其放于0.1 mol/L KCl溶液中，以循环伏安法以100 mV/s扫速在-1.5-0.5 V电压范围内扫描圈数20，完成后取出，用重蒸馏水淋洗，即制得还原态的石墨烯修饰玻碳电极（GO/GCE）。

1.2.4 氧化钴修饰石墨烯修饰电极的制备

将还原态的石墨烯修饰电极以三电极体系插入含有1 mmol/L氯化钴溶液的磷酸盐缓冲液中扫描30圈，在-1.5-1.5 V的电位范围下，采用循环伏安法以100 mV/s的扫描速率设置扫描30圈，使氧化钴纳米粒子沉积在电极表面，完成后取出，用重蒸馏水淋洗，即得氧化钴/石墨烯修饰玻碳电极（CoO/GO/GCE）。

1.2.5 样品预处理

根据GB 5027-2008《无公害食品畜禽饮用水质》和GB/T 5750.6-2006《生活饮用水标准检验方法金属指标》，采用湿法消化对样品预处理，将1 mL水体样品加入消化瓶中，加入新配置的混合酸7 mL（浓硝酸5 mL，过氧化氢2 mL），加入玻璃珠防止爆沸。加热消解至样品溶液呈透明后，继续加热驱赶剩余酸液至近干，冷却后转移至100 mL容量瓶，用二次蒸馏水定容待测。

2 结果与分析

2.1 还原态石墨烯修饰电极的制備

由图1可知，在氧化石墨烯进行还原过程中，最开始时在-0.8 V电压处出现还原峰电流急剧增加，随着还原时间的推移，电流逐渐趋于平稳，还原过程非常迅速且不可逆。石墨烯电极的制备为复合电极制备提供了良好导电性和电极转移效果的基底电极。

2.2 氧化钴修饰石墨烯修饰电极的制备

由图2可以看出，在-0.2 V和-0.1 V处出现了一对氧化还原峰，而且随着扫描圈数的增加，峰电流也明显增加。峰电流先增大后逐渐趋于稳定，峰电位向负方向略有移动。这是由于在电极表面二价钴离子与GO表面的含氧官能团（如：羟基、羧基等）发生键合作用，此时，GO表面负载了金属钴离子的纳米颗粒并充当纳米颗粒继续生长的成核位点，纳米颗粒在石墨烯的表面沉积而使得峰电流和电位发生了变化。以上结果说明，GO充当负载基底，通过电化学沉积氧化钴纳米粒子成功修饰于石墨烯电极表面。

2.3 扫描速率对氧化钴/石墨烯修饰电极的影响

在0.01 V/s，0.03 V/s，0.07 V/s，0.1 V/s，0.13 V/s，0.17 V/s，0.2 V/s的扫描条件下效果见图3。不同扫描速率下的伏安曲线均类似，且在0.81 V/0.140 V（对Ag/AgCl参比电极）存在一对非常明显的氧化还原峰，表明在整个充放电过程中以感应电流、氧化还原反应为主。随着扫描速率的增加，氧化峰向正方向移动，而还原峰向负方向移动。而在低扫描速率下，感应电、氧化还原反应主要依靠电解液中质子的嵌入/脱出，扫描速度在0.03 V/s时，铅离子的峰电流最好。

2.4 pH值对铅盐检测的影响

铅盐为弱碱性金属离子，在不同的pH环境下对其溶解度不同，且不同pH也会引起铅离子的导电性与传导性差异，为优化实验条件，本实验分别选用pH为3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的0.10 mol/L的PBS溶液，测定浓度为0.01 mol/L的乙酸铅标准溶液，测定结果见图4。由图4可知，在pH 5.0时，铅离子具有非常好的电流响应峰。因此，选择pH 5.0的0.10 mol/L PBS溶液作为测定铅离子的电解质溶液。

2.5 电极对铅离子测定的影响

由圖5可以看出，石墨烯修饰电极对铅离子的灵敏性有提高，而氧化钴/石墨烯修饰电极的识别度更大。在使用氧化钴/石墨烯修饰电极时，峰的高度以及峰面积、稳定性都有了很大提高。这是由石墨烯具有非常好的电传导能力和较大的表面积，GO充当负载基底，修饰过的电极出现了很强的电流传输。而氧化钴中的二价钴离子与GO表面羟基和羧基等发生化学键合作用，进一步增强电流传输。

2.6 铅离子标准曲线绘制

通过10倍稀释法制备10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9 mol/L乙酸铅溶液，通过循环伏安法测定电性曲线，铅离子在1×10-8-1×10-2 mol/L浓度范围内呈线性关系，信噪比为3时，检出限为7.5×10-9 mol/L。

2.7 氧化钴/石墨烯修饰电极的精密度和稳定性

该修饰电极在每次测完后均需置于空白底液中经多圈循环伏安扫描活化，更新电极表面。连续平行测定5次，1.0×10-6 mol/L铅离子的RSD为4.3 %，表明该修饰电极具有较好的精密度。

将制备好的电极放在冰箱中7 d，在相同实验条件下测得电流为原来的95 %，7 d内电流的降低值均小于10 %，说明制备的电极稳定性较好。对同样方法制备5根电极进行重复性研究，结果显示相对偏差均在5 %以内，表示复合电极重复性较好。

2.8 样品分析

取1 mL样品，加入9 mL PBS，用循环伏安法进行扫描，对4份畜禽饮用水样品检测，测量值均符合国际限量规定，采用加标回收试验来验证，平均回收率在96.5 %-102.5 %。另外，将4份样品采用GB/T 5750.6-2006《生活饮用水标准检验方法金属指标》中无火焰原子吸收法进行测定，结果见表1，所构建的氧化钴/石墨烯修饰电极测定结果与国标法测定结果有较好的一致性。

3 结论

本实验基于石墨烯复合材料较大的比表面积和氧化钴良好的电催化作用，利用电化学沉积技术在玻碳电极上沉积氧化钴/石墨烯纳米复合薄膜并应用于检测养殖场畜禽饮用水。在0.1 mol/L PBS缓冲溶液（pH 5.0）中对铅离子的检测最优。铅离子在1×10-8-1×10-2 mol/L浓度范围内呈线性关系，信噪比为3时检出限为7.5×10-9 mol/L。所构建的氧化钴/石墨烯修饰电极具有良好的灵敏度、稳定性和重现性，可用于养殖场畜禽饮用水中铅离子的检测。

参考文献

[1] Kumar N A， Choi H J， Shin Y R， et al. Polyaniline-grafted reduced graphene oxide for efficient electrochemical supercapacitors[J]. Acs Nano， 2017， 6（2）： 1 715-1 723.

[2] Novoselov K， Geim A K， Morozov S， et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene[J]. Nature， 2005， 438（7 065）： 197-200.

[3] Novoselov K S， Geim A K， Morozov S， et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science， 2004， 306（5 696）： 666-669.

[4] Liu J， Bai H， Wang Y， et al. Self-Assembling TiO2 nanorods on large graphene oxide sheets at a two-phase interface and their anti-recombination in photocatalytic applications[J]. Advanced Functional Materials， 2010， 20（23）： 4 175-4 181.

[5] Du J， Lai X， Yang N， et al. Hierarchically ordered macro-mesoporous TiO2- graphene composite films： Improved mass transfer， reduced charge recombination， and their enhanced photocatalytic activities[J]. ACS nano， 2010， 5（1）： 590-596.

[6] Hwang J O， Lee D H， Kim J Y， et al. Vertical ZnO nanowires/graphene hybrids for transparent and flexible field emission[J]. Journal of Materials Chemistry， 2011， 21（10）： 3 432-3 437.

[7] Williams G， Kamat P V. Graphene-semiconductor nanocomposites： excited-state interactions between ZnO nanoparticles and graphene oxide[J]. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids， 2009， 25（24）：13 869-13 873.

[8] Wang D， Kou R， Choi D， et al. Ternary self-assembly of ordered metal oxide-graphene nanocomposites for electrochemical energy storage[J]. ACS nano， 2010， 4（3）： 1 587-1 595.

[9] Lee J W， Hall A S， Kim J-D et al.A facile and template-free hydrothermal synthesis of Mn3O4 nanorods on graphene sheets for supercapacitor electrodes with long cycle stability[J]. Chemistry of Materials， 2012， 24（6）： 1 158-1 164.

[10] Guan Q， Cheng J， Wang B， et al. Needle-like Co3O4 anchored on the graphene with enhanced electrochemical performance for aqueous supercapacitors[J]. ACS applied materials & interfaces， 2014， 6（10）： 7 626-7 632.

[11] Chen Y， Song B， Tang X， et al.One-step synthesis of hollow porous Fe3O4 beads-reduced graphene oxide composites with superior battery performance[J]. Journal of Materials Chemistry， 2012， 22（34）： 17 656-17 662.

[12] Yin Z， Wu S， Zhou X， et al.Electrochemical deposition of ZnO nanorods on transparent reduced graphene oxide electrodes for hybrid solar cells[J]. Small， 2010， 6（2）： 307-312.

[13] Wu S， Yin Z， He Q， et al. Electrochemical deposition of semiconductor oxides on reduced graphene oxide-based flexible， transparent， and conductive electrodes[J]. The Journal of Physical Chemistry C， 2010， 114（27）： 11 816-11 821.

[14] Kim Y T， Han J H， Hong B H， et al. Electrochemical synthesis of CdSe quantum‐dot arrays on a graphene basal plane using mesoporous silica thin-film templates[J]. Advanced Materials， 2010， 22（4）： 515-518.

[15] 劉有芹，颜 芸，沈含熙，等. 化学修饰电极的研究及其分析应用[J].化学研究与应用，2006，18（4）：333-343.

[16] Hummers W S， Ofeman R E. Preparation of grapHitic oxide[J]. Journal of the American Chemical Society， 1958， 80（6）： 1 339-1 339.